JP2012172173A - 鋼管の焼入れ方法 - Google Patents

Abstract

【課題】鋼管の長手方向で強度特性を均一化することができる鋼管の焼入れ方法を提供する。
【解決手段】焼入れ方法は、加熱された鋼管１を長手方向に沿って搬送しながら、鋼管１の外周面に焼入れ水を搬送方向に対し傾斜して噴射し、鋼管１を焼入れするに際し、鋼管１の搬送方向の後端部であるボトム部１ａの開口端に蓋２を取り付け、この状態のままで鋼管１の搬送および焼入れ水の噴射を行う。
【選択図】図１

Description

本発明は、加熱された鋼管の外周面に焼入れ水を噴射して鋼管を焼入れする方法に関し、特に、鋼管の長手方向で強度特性の均一化を図った鋼管の焼入れ方法に関する。

高強度を要求される鋼管は、熱間加工による製管後に焼入れ処理を施す必要がある。例えば、マンネスマン製管法を採用した継目無管の製造では、穿孔圧延、延伸圧延および定径圧延による熱間加工を順に経て、製品管の外径と肉厚に仕上げられた鋼管が得られる。通常、定径圧延後の鋼管は、冷却床で空冷された後、随時、雰囲気ガス加熱炉や高周波誘導加熱炉などの焼入れ炉で所定温度に加熱され、その外周面に焼入れ水を噴射して焼入れが施される。

鋼管の焼入れ方法に関する従来技術は、下記のものがある。特許文献１には、鋼管を長手方向に沿って搬送しながら、高周波誘導加熱炉で鋼管を加熱するとともに、加熱した鋼管の外周面に焼入れ水を搬送方向に対し傾斜して噴射する焼入れ方法が開示されている。同文献に開示される焼入れ方法は、低炭素鋼からなる鋼管を対象に高速焼入れを可能にすることを目的とし、焼入れ水の噴射口の配列数、噴射流速、噴射流量、水温、および搬送方向に対する噴射の傾斜角度といった冷却条件を規定している。

特開平９−１５７７５０号公報

しかし、前記特許文献１に開示される従来の焼入れ方法では、焼入れ処理後に、鋼管の強度特性が搬送方向の先端部（以下、「トップ部」ともいう）よりも後端部（以下、「ボトム部」ともいう）で高くなり、鋼管の長手方向で強度特性のばらつきが生じる。このような強度特性のばらつきは、以下の理由により生じる。

焼入れ処理の際、焼入れ水が鋼管の搬送方向に対し傾斜して噴射されるため、鋼管のボトム部には、噴射された焼入れ水が外周面のみならず、ボトム部の開口端を通じて内周面にも吹き付けられる。これにより、ボトム部の内部に焼入れ水が浸入する。一方、先行するトップ部の内周面には、噴射された焼入れ水が吹き付けられないことから、トップ部の内部に焼入れ水は浸入しない。これらのことから、鋼管のボトム部では、トップ部と比較し、内部に浸入した焼入れ水によって冷却速度が速くなり、これに伴って焼入れが促進し、強度特性が高くなる。すなわち、鋼管のボトム部とトップ部とは、焼入れ処理時にボトム部の内部に焼入れ水が浸入することに起因して冷却速度の差が生じ、これに伴って焼入れ状態の差が生じることから、強度特性の差が発現する。

このような鋼管における長手方向での強度特性のばらつきは、焼入れ性の低い材質で現れやすい。焼入れ性の高い材質であれば、焼入れ水が浸入しないトップ部でも十分に焼入れが促進するからである。また、その強度特性のばらつきは、外径が比較的大きい大径サイズの鋼管で現れやすい。鋼管の外径が大きいほど、熱容量が大きくなり、焼入れ性が低下するからである。

そして、鋼管の長手方向で強度特性のばらつきが著しくなった場合、鋼管に求められる強度規格を全長にわたって保証することが困難となる。

本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、次の特性を有する鋼管の焼入れ方法を提供することである：
鋼管の長手方向で強度特性を均一化すること。

本発明の要旨は、次の通りである。

加熱された鋼管を長手方向に沿って搬送しながら、鋼管の外周面に焼入れ水を搬送方向に対し傾斜して噴射し、鋼管を焼入れする方法において、
当該鋼管の焼入れ方法は、鋼管の搬送方向の後端に蓋を取り付け、この状態のままで鋼管の搬送および焼入れ水の噴射を行うこと、
を特徴とする鋼管の焼入れ方法。

本発明の鋼管の焼入れ方法は、下記の顕著な効果を有する：
鋼管の長手方向で強度特性を均一化できること。

本発明の鋼管の焼入れ方法を説明する模式図であり、同図（ａ）は焼入れ処理の進行初期の状態を、同図（ｂ）は同処理の進行中期の状態を、同図（ｃ）は同処理の進行終期の状態をそれぞれ示す。 実施例の試験結果として、降伏強さ（ＹＳ）および引張強さ（ＴＳ）の実績を示す図である。

本発明者は、上記目的を達成するため、加熱された鋼管を長手方向に沿って搬送しながら、鋼管の外周面に焼入れ水を搬送方向に対し傾斜して噴射する焼入れ処理を前提とし、種々の条件で焼入れ試験を行って鋭意検討を重ねた。その結果、下記の知見を得た。

鋼管のボトム部の開口端、すなわち鋼管の搬送方向の後端に予め蓋を取り付けることにより、焼入れ処理時に、噴射された焼入れ水がボトム部の内部に浸入するのを遮断することができる。これにより、鋼管の焼入れ条件をトップ部からボトム部までの全長にわたって同一の状態に確保することが可能になり、鋼管の長手方向で強度特性を均一化できる。

本発明は、上記の知見に基づき完成させたものである。以下に、本発明の鋼管の焼入れ方法の好ましい態様について詳述する。

図１は、本発明の鋼管の焼入れ方法を説明する模式図であり、同図（ａ）は焼入れ処理の進行初期の状態を、同図（ｂ）は同処理の進行中期の状態を、同図（ｃ）は同処理の進行終期の状態をそれぞれ示す。同図では、焼入れ処理時に長手方向に沿って搬送される鋼管１の搬送方向を白抜き矢印で示している。

先ず、図１を参照し、鋼管１の外周面に焼入れ水を噴射する水冷装置３の構成を説明する。水冷装置３は、鋼管１の搬送経路を中心に挿通させ、環状の内部空間を有する環状箱４を備える。環状箱４は、その上下にそれぞれ給水管５が接続されており、その内部に各給水管５を通じて焼入れ水が供給される。

環状箱４の内周面には、複数のノズル６が周方向に等間隔に設けられ、その周方向のノズル６の一群が鋼管１の搬送方向に沿って複数段配列されている。また、各ノズル６は、鋼管１の搬送方向に対し傾斜して配置されている。各ノズル６は、給水管５を通じて環状箱４内に供給された焼入れ水を、鋼管１の外周面に搬送方向に対し傾斜して噴射する。

周方向でノズル６の設置数は、特に限定しないが、１０〜３０個とするのが好ましい。鋼管１の搬送方向でノズル６の配列数は、特に限定しないが、１０〜３０段とするのが好ましい。図１では、ノズル６の配列数を５段とした態様を示している。また、焼入れ水の噴射の傾斜角度、すなわちノズル６の傾斜角度は、２０〜７０°とするのが好ましい。焼入れ水の噴射流量は、５〜８［ｔｏｎ／ｈｏｕｒ］の範囲内とするのが好ましい。周方向のノズル６の設置数、搬送方向のノズル６の配列数、並びに焼入れ水の噴射の傾斜角度、および噴射流量を上記の範囲内とすれば、鋼管１の外周面に、噴射させた焼入れ水が停滞することなく、常時新鮮な焼入れ水が吹き付けられるため、鋼管１をむらなく焼入れすることができるからである。

続いて、このような構成の水冷装置３を用いた鋼管１の焼入れ方法を説明する。焼入れ処理に際し、予め、定径圧延された鋼管１のボトム部１ｂの開口端に蓋２を取り付ける（図１（ｃ）参照）。この蓋２は、鋼管１のボトム部１ｂの開口端を塞ぐことができれば、その形状に特に限定はない。

例えば、蓋２は、図１（ｃ）に示すように、鋼管１の外径と概ね同じ直径の円板部２ａと、この円板部２ａの一方の面から突出し、鋼管１の内径より僅かに小さい外径の環状突片２ｂとから構成することができる。この形状の場合、蓋２は、環状突片２ｂが鋼管１のボトム部１ｂの内部に挿入されることによって取り付けられ、ボトム部１ｂの開口端を完全に塞ぎつつ、その開口端に安定して保持された状態になる。蓋２の材質は、特に限定しないが、炭素鋼などの金属を採用することが好ましい。

このような蓋２の取付けは、以下に示す段階で行う。定径圧延後の鋼管１を雰囲気ガス加熱炉や高周波誘導加熱炉などの焼入れ炉を用いて所定温度に加熱し、この加熱した鋼管１に水冷装置３を用いて焼入れ処理を施す場合、定径圧延後、焼入れ炉で加熱を行う前に、鋼管１に蓋２を取り付ける。この場合、焼入れ炉により蓋２と鋼管１を一体で加熱することになる。

蓋２が取り付けられ、加熱された鋼管１は、図１（ａ）に示すように、図示しないローラーコンベアによって長手方向に搬送され、トップ部１ａを先頭にして水冷装置３に送り込まれる。このとき、水冷装置３の各ノズル６から焼入れ水が鋼管１の外周面に搬送方向に対し傾斜して噴射されており、トップ部１ａの内周面には、噴射された焼入れ水が吹き付けられないことから、トップ部１ａの内部に焼入れ水は浸入しない。

引き続き、鋼管１は、図１（ｂ）に示すように、図示しないローラーコンベアによる継続した搬送に伴って、トップ部１ａからボトム部１ｂにわたり水冷装置３に送り込まれ、最終的に、図１（ｃ）に示すように、ボトム部１ｂを水冷装置に送り込まれる。このとき、水冷装置３の各ノズル６から焼入れ水が鋼管１の外周面に搬送方向に対し傾斜して噴射されているが、ボトム部１ｂの開口端に蓋２が取り付けられているため、噴射された焼入れ水がボトム部１ｂの内部に浸入するのを遮断することができる。

このような本発明の焼入れ方法によれば、鋼管１の内部にはトップ部１ａからボトム部１ｂまでの全長にわたって焼入れ水が浸入しないため、鋼管１の全長にわたり焼入れ条件を同一の状態に確保することが可能になる。これにより、鋼管１の長手方向で強度特性を均一化することができる。

本発明の焼入れ方法は、焼入れ処理を必要とする鋼管であれば材質に限定はなく、低炭素鋼やＭｎ鋼やＣｒ鋼などのあらゆる材質の鋼管に適用することができる。

本発明の焼入れ方法による効果を確認するため、マンネスマン製管法により供試用の鋼管（以下、「供試管」という）を製造し、供試管を雰囲気ガス加熱炉で９５０℃に加熱した後、前記図１に示す方法で焼入れ処理を行う試験を実施した。

［試験条件］
供試管の材質および寸法は、下記の通りである。
・材質：下記表１に示す成分組成の低炭素鋼
・寸法：外径１１４．３ｍｍ、肉厚８．０ｍｍ、長さ９０００ｍｍ

水冷装置による冷却条件は、下記の通りである。
・周方向のノズルの設置数：１６個
・搬送方向のノズルの配列数：１８段
・焼入れ水の噴射の傾斜角度：３０°
・焼入れ水の噴射流量：６．９６［ｔｏｎ／ｈｏｕｒ］

本発明例として、雰囲気ガス加熱炉で加熱する前に、供試管のボトム部の開口端に蓋を取り付け、蓋を取り付けた供試管を加熱して焼入れを施した。比較例として、供試管に蓋を取り付けることなく、供試管を加熱して焼入れを施した。本発明例および比較例の焼入れ試験は、２回ずつ行った。

［評価方法］
焼入れ処理した本発明例および比較例の各供試管を焼戻し処理し、各供試管のトップ部とボトム部から試験片を採取して引張試験を行い、降伏強さ（ＹＳ）および引張強さ（ＴＳ）を測定した。引張試験はＡＳＴＭに準拠した。下記の図２および表２に、その結果を示す。表２では、本発明例および比較例のそれぞれ場合で、ＹＳおよびＴＳのそれぞれに関し、トップ部の平均値とボトム部の平均値の差を表記した。

［試験結果］
図２は、実施例の試験結果として、降伏強さ（ＹＳ）および引張強さ（ＴＳ）の実績を示す図である。

図２および表２に示す結果から次のことが示される。本発明例では、焼入れ処理に際し、供試管のボトム部の開口端に蓋を取り付けたため、トップ部とボトム部で強度特性の差が大きく抑制され、強度特性を長手方向で均一化できることが明らかになった。一方、比較例では、供試管のボトム部の開口端に蓋を取り付けなかったため、トップ部とボトム部で強度特性の差が著しくなった。

本発明は、あらゆる材質の鋼管の焼入れ処理に有効に利用できる。

１：鋼管、 １ａ：トップ部（先端部）、 １ｂ：ボトム部（後端部）、
２：蓋、 ２ａ：円板部、 ２ｂ：環状突片、
３：水冷装置、 ４：環状箱、 ５：給水管、 ６：ノズル

Claims (1)

1. 加熱された鋼管を長手方向に沿って搬送しながら、鋼管の外周面に焼入れ水を搬送方向に対し傾斜して噴射し、鋼管を焼入れする方法において、
   当該鋼管の焼入れ方法は、鋼管の搬送方向の後端に蓋を取り付け、この状態のままで鋼管の搬送および焼入れ水の噴射を行うこと、
   を特徴とする鋼管の焼入れ方法。

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